不连续界面相Al4C3对SiC/Al复合材料界面结合影响的第一性原理及实验

采用密度泛函理论的第一性原理及实验相结合的方法,探讨了不连续界面相Al₄C₃对SiC/Al复合材料界面结合的影响,并与无界面新相生成时进行对比。研究表明,当Al(111)表面吸附C原子时,在Bridge位置上吸附C原子最为稳定;随着C覆盖率的增加,C原子吸附能逐渐减小;当界面相呈不连续分布时,界面由原来的SiC/Al转变为(SiC+Al₄C₃)/Al,界面黏着功由原来的0.851 J/m2增加至1.231 J/m2,这主要由于当C原子在Al表面吸附时,C原子和Al原子间形成共价键和离子键,且与界面处的Si原子也形成共价键,从而促进界面结合。利用第一性原理计算的SiC/Al和(SiC+Al₄C₃)/Al体系黏着功与实验值较为接近,且变化规律相同,具有较高的参考价值。      

石墨表面化学镀Cu对天然鳞片石墨/Al复合材料热物理性能的影响

对天然鳞片石墨（GF）进行化学镀Cu的表面处理,对化学镀Cu石墨（Cu-GF）和Al粉采用真空热压的工艺制备出镀Cu石墨/Al（Cu-GF/Al）复合材料。研究了Cu-GF/Al复合材料的微观结构和微观界面,同时也研究了Cu-GF对Cu-GF/Al复合材料热导率和抗弯性能的影响。结果表明,GF上的Cu层能抑制界面脆弱相Al₄C₃的产生,使Cu-GF/Al复合材料的抗弯性能有了显著提升。当Cu-GF体积分数从50%增加到70%时,Cu-GF/Al复合材料的抗弯强度也从104 MPa降低到74 MPa。当GF体积分数为70%时,Cu-GF/Al复合材料的热导率达到最高值为522 W/（m·K）。     

铝合金熔体氧化制备Al2O3 / SiC/ Ni/ Al-Si多相模糊界面陶瓷基复合材料

针对Al₂O₃ / Al 复合材料中金属相Al 对其高温性能的不利影响, 本试验在高温下将铝合金熔体氧化渗透到注浆成型的SiC/ Ni 多孔预制体中, 制备了Al₂O₃ / SiC/ Ni/ Al-Si 多相陶瓷基复合材料。借助光学显微镜、电子显微镜(SEM) 、X 射线衍射仪(XRD) 、波谱仪( EDS) 等手段分析了预制体和复合材料的相组成、微观结构及界面特征。结果表明, 复合材料的主晶相为Al₂O₃ 与SiC , 相间存在Al (Si) 复合氧化物、NiAl₂O₄ 及Ni 与Al-Si 合金相, 各相界面处成分呈连续过渡变化趋势, 构筑了具有模糊界面特征的多相复合材料。      

界面反应产物对B4C/Al复合材料颗粒润湿性及界面强度的影响机制

采用搅拌铸造法制备了B₄C/Al复合材料,利用实验分析结合第一性原理计算的方法,探讨了界面反应产物Al₃BC和TiB₂对B₄C/Al复合材料颗粒润湿性及界面结合强度的影响机制。结果表明,界面反应产物为Al₃BC时,B₄C颗粒润湿性没有得到实质性改善,存在明显的颗粒团聚现象,界面结合强度较低且过度的界面反应使B₄C颗粒分解损耗严重,导致B₄C颗粒增强效果不明显;而通过添加Ti元素使界面反应产物为TiB₂时,颗粒润湿性明显改善,B₄C颗粒团聚现象显著减少,界面结合强度较高,力学性能得到显著提高。这主要是由于不同终端的Al（111）/TiB₂（0001）界面黏附功均大于Al（111）/B₄C（0001）的界面黏附功,表明界面反应产物TiB₂可以提高B₄C颗粒的润湿性,而界面反应产物Al     

Al/Mo-C中间层对锆合金表面Zr2Al3C4涂层界面性能影响

锆合金表面涂层研究作为提高核燃料包壳事故容错能力的重要技术手段之一, 能够有效解决失水事故下锆水反应的问题。Zr₂Al₃C₄以其优异的抗氧化性能和适用于核环境的化学组分而成为锆合金包壳的候选涂层材料之一。由于Zr₂Al₃C₄涂层与锆合金基底之间的元素扩散以及热膨胀系数不匹配等问题, 在其上制备Zr₂Al₃C₄涂层的相关研究较少。本研究通过磁控溅射结合后续热处理工艺, 以Al/Mo-C作为扩散屏障层, 在锆合金基底上制备Zr₂Al₃C₄涂层。结合X射线衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等分析手段, 研究了Al/Mo-C中间层对涂层的相和微观结构的影响。结果表明, 在800 ℃退火3 h后, 未添加中间层的涂层开裂, 同时由于Zr-Al-C涂层与基底之间存在明显的元素扩散, 导致Zr₂Al₃C₄无法成相。Al/Mo-C中间层作为扩散屏障, 能够有效阻止退火过程中Zr-Al-C涂层和基底之间的元素扩散, 从而大大降低Zr-Al-C涂层与标准化学量比的偏差, 有利于最终涂层中Zr₂Al₃C₄相的形成。此外, 该扩散屏障层能够抑制Zr₂Al₃C₄涂层在退火过程中产生裂纹, 同时将退火态涂层与锆合金基底的结合力提高30 N。     

球磨-转喷微注法制备纳米Al2O3颗粒/Al(7075)复合材料的组织及磨损特性

采用球磨-转喷微注相结合的新工艺制备纳米Al₂O₃颗粒(Al₂O_3p)/Al(7075)复合材料,设计一种转喷微注装置,该装置能将连续、微量的纳米Al₂O_3p注入到Al熔体中。观察纳米Al₂O₃增强相对Al(7075)基体合金材料微观组织的影响,并测试Al(7075)基体和纳米Al₂O_3p/Al(7075)复合材料的磨损特性。对纳米Al₂O_3p/Al(7075)复合材料和Al(7075)基体在不同载荷(15 N、25 N和35 N)下的磨损特性进行对比研究。结果表明:球磨-转喷微注法制备的纳米Al₂O_3p/Al(7075)复合材料晶粒较小,且增强相在基体中分布均匀且结合良好;随着载荷增大,纳米Al₂O_3p/Al(7075)复合材料磨损量的上升趋势慢于Al(7075)基体。载荷为35 N时,纳米Al₂O_3p/Al(7075)复合材料的磨损量较Al(7075)基体少,磨屑尺寸较小,其耐磨性能明显改善,这主要得益于纳米Al₂O_3p的支撑作用和材料的细晶强化作用。      

基于SPS法B4C/6061Al中子吸收复合材料组织及性能

B₄C中B的同位素¹⁰B具有较大的热中子吸收截面,是良好的中子吸收体。采用放电等离子烧结法（SPS）制备了B₄C体积分数为10%~40%的B₄C/6061Al中子吸收复合材料,对B₄C/6061Al中子吸收复合材料的微观组织形貌及物相组成进行了观察分析,并测试了其拉伸性能。结果表明：B₄C颗粒均匀地分布在6061Al基体中,颗粒尖端放电产生的等离子体能够促进B₄C颗粒/6061Al基体界面结合,材料内部的物相主要有Al、B₄C、AlB₂和Al₃BC。随着B₄C体积分数的增加,B₄C/6061Al中子吸收复合材料的致密度降低,抗拉强度先增加后降低,断裂机制主要为6061Al基体及B₄C颗粒/6061Al基体界面的撕裂。     

Al3Ti/A356铝基复合材料的显微组织及拉伸力学性能

在A356铝合金熔体中加入K₂TiF₆盐,通过熔体搅拌原位反应法制备了Al₃Ti/A356铝基复合材料,研究了Al₃Ti含量对铝基复合材料显微组织及室温和高温拉伸力学性能的影响。结果表明,Al₃Ti/A356复合材料的铸态组织由α-Al、共晶Si和(Al, Si)₃Ti相组成。随着K₂TiF₆盐添加量的增加,(Al, Si)₃Ti相也逐渐增多,其形状由大块状和棒状转变为小块状,同时,基体中的共晶Si细化效果也越显著。在生成不同Al₃Ti含量的复合材料中,2wt%Al₃Ti/A356复合材料的常温拉伸抗拉强度和屈服强度均为最高,分别为179.7 MPa和74.1 MPa。350℃高温拉伸时,6wt%Al₃Ti/A356复合材料的抗拉强度和屈服强度分别比基体提高22.1%和12.6%,分别达到66.3 MPa和57.9 MPa,最高抗拉强度达到或超过了一些现役汽车活塞用的铝硅合金,表明Al₃Ti/A356复合材料具有作为新型耐热铝合金应用于汽车发动机耐热部件的潜力。      

热处理对热等静压SiP/Al-Cu复合材料显微组织和力学性能的影响

采用元素粉作为原料, 通过热等静压技术(HIP)制备出50%Si_P/Al-Cu和70%Si_P/Al-Cu(体积分数)复合材料, 研究固溶处理和峰值时效处理对复合材料显微组织、 Al₂Cu相溶解过程及力学性能的影响。结果表明: 热等静压技术制备的Si_P/Al-Cu复合材料完全致密, 组织均匀细小, 材料由Si相、 Al相和Al₂Cu组成, 白色Al₂Cu相产生于原始的Cu粉与Al粉界面处。在516 ℃固溶处理2 h后, 70%Si_P/Al-Cu复合材料中的Al₂Cu相全部溶入Al基体中, 而50%Si_P/Al-Cu复合材料中还残留少量Al₂Cu相。经过峰值时效处理后, 50%Si_P/Al-Cu和70%Si_P/Al-Cu复合材料的抗弯强度为548 MPa和404 MPa, 相对于热等静压态分别提高了38.81%和13.51%, 复合材料的强度显著增强。     

不基于熔态润湿的Al/Al2O3直接钎焊

针对Al熔液在850℃以下不润湿Al₂O₃而难以直接钎焊的困难, 本工作研究了溅射Al对Al₂O₃的“润湿”作用, 提出了一种采用溅射Al基薄膜作为钎料直接钎焊Al₂O₃的方法。结果表明, 这种方法可以在不满足熔态Al润湿条件的680℃实现Al和Al-Cu合金对Al₂O₃的直接真空钎焊, 并且仅需0.1 Pa的真空度。所获得的Al/Al₂O₃的接头剪切强度达到115 MPa, Al-1.6at% Cu合金钎焊接头的剪切强度可提高到163 MPa, 当钎料中的Cu含量提高至14.3at%后, 钎焊接头中焊缝与陶瓷界面产生Cu的偏聚, 接头的剪切强度因界面断裂降低为127 MPa。并对这种不基于金属熔态润湿钎焊方法的原理进行了分析讨论。     

纳米Al_2O_3分布对Al_2O_3/PE-EVA复合材料导热性能与力学性能的影响

旨在将纳米Al2O3分散在聚乙烯(PE)和乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)的共混物中,构建具有选择性分布结构的局域高粒子浓度导热复合材料。采用纳米Al2O3为导热填料,以PE和EVA为基体树脂,使用熔融共混法制备了Al2O3/PE-EVA导热复合材料。利用选择性溶液萃取方法和SEM研究了PE-EVA共混物的相结构及纳米Al2O3在共混物中的分布,评价了Al2O3/PE-EVA复合材料的导热性能与力学性能。结果表明:在PE与EVA质量比为1∶1时可获得具有两相共连续结构的共混物;在两相共连续PE-EVA共混物中引入纳米Al2O3后,发现纳米Al2O3主要分布在PE相中;纳米Al2O3的分布行为及共连续结构的形成有助于提高复合材料的导热性能,在纳米Al2O3质量分数为50%时,与Al2O3/PE复合材料相比,具有选择分布和相连续结构的Al2O3/PEEVA复合材料的热导率提高了21.2%;随着纳米Al2O3质量分数的增加,Al2O3/PE-EVA复合材料的拉伸强度与Al2O3/PE复合材料的拉伸强度相近,同时由于EVA相的增韧作用,其断裂伸长率优于Al2O3/PE复合材料。     

Study of the densification of a nanostructured composite powder: Part 1: Effect of compaction pressure and reinforcement addition

Al/Al₂O₃ composite coating was prepared by plasma spraying and characterized by XRD and SEM. Some thermal–mechanical properties of the composite coating including thermal diffusivity, microhardness, fracture toughness and sliding wear rate were measured. The results showed that the Al/Al₂O₃ composite coating, compared with Al₂O₃ coating, exhibits denser structure and developed splat interface. The coexistence of Al metal phase and Al₂O₃ ceramic phase effectively increased the fracture toughness and thermal diffusivity of composite coating, in spite of the slight decrease in microhardness. Furthermore, the wear resistance of Al/Al₂O₃ composite coating is superior to that of Al₂O₃ coating.     

超声化学原位合成纳米Al_2O_3/6063Al复合材料组织及高温蠕变性能

为研究纳米颗粒增强铝基复合材料的高温蠕变特性,基于6063Al-Al2(SO4)3体系,采用超声化学原位合成技术,制备出不同Al2O3体积分数(5%、7%)的纳米Al2O3/6063Al复合材料,通过高温蠕变拉伸试验测试其高温蠕变性能,利用XRD、OM、SEM及TEM分析其微观形貌。结果表明:施加高能超声可显著细化增强体颗粒并提高其分布的均匀性,所生成的Al2O3增强颗粒以圆形或近六边形为主,尺寸为20~100nm;纳米Al2O3/6063Al复合材料的名义应力指数、表观激活能和门槛应力值与基体相比大幅提高,均随着增强体体积分数的增加而提高,表明纳米Al2O3/6063Al复合材料的抗蠕变性能提高;纳米Al2O3/6063Al复合材料的真应力指数为8,说明复合材料蠕变机制符合微结构不变模型,即受基体晶格扩散的控制;纳米Al2O3/6063Al复合材料的高温蠕变断口特征以脆性断裂为主,高应力下形成穿晶断裂,低应力下形成沿晶断裂和晶界孔洞;纳米Al2O3/6063Al复合材料的主要强化机制为位错强化与弥散强化。     

Microstructures, densification and mechanical properties of TiC–Al2O3–Al composite by field-activated combustion synthesis

Dense TiC–Al₂O₃–Al composite was prepared with Al, C and TiO₂ powders by means of electric field-activated combustion synthesis and infiltration of the molten metal (here Al) into the synthesized TiC–Al₂O₃ ceramic. An external electric field can effectively improve the adiabatic combustion temperature of the reactive system and overcome the thermodynamic limitation of reaction with x < 10 mol. Thereby, it can induce a self-sustaining combustion synthesis process. During the formation of Al₂O₃–TiC–Al composite, Al is molten first, and reacted with TiO₂ to form Al₂O₃, followed by the formation of TiC through the reaction between the displaced Ti and C. Highly dense TiC–Al₂O₃–Al with relative density of up to 92.5% was directly fabricated with the application of a 14 mol excess Al content and a 25 V cm⁻¹ field strength, in which TiC and Al₂O₃ particles possess fine-structured sizes of 0.2–1.0 μm, with uniform distribution in metal Al. The hardness, bending strength and fracture toughness of the synthesized TiC–Al₂O₃–Al composite are 56.5 GPa, 531 MPa and 10.96 MPa m^1/2, respectively.     

高功率激光照明用Al2O3-YAG:Ce复相陶瓷荧光体的组分设计与性能优化

结合蓝色激光二极管和黄色荧光转换器制备的固态激光照明引起了人们极大的关注, 但荧光转换材料的热猝灭效应显著影响了高功率激光照明的实现。通过组分设计和性能优化可以提高荧光转换器的热导率和发光均匀性。本工作采用固相反应烧结技术制备了一系列不同Al₂O₃含量的Al₂O₃-YAG:Ce复相陶瓷荧光体, 研究了Al₂O₃含量对Al₂O₃-YAG:Ce陶瓷荧光体微观结构、相组成、光学性能和热学性能的影响。Al₂O₃-YAG:Ce陶瓷荧光体在800 nm处的总透过率随着Al₂O₃含量的增加(0→90%)而下降(82.6%→23.6%)。Al₂O₃-YAG:Ce陶瓷荧光体的激发和发射强度随Al₂O₃含量的增加先增大后减小。当Al₂O₃/Al₂O₃-YAG:Ce的质量比为70%时, 陶瓷荧光体在室温下的热导率高达25.7 W·m^-1·K^-1, 且表现出最高的发射强度。当采用功率密度为20 W·mm^-2的蓝光二极管泵浦 70% Al₂O₃-YAG:Ce复相陶瓷荧光体时, 可获得3724 lm的高光通量和239.4 lm·W^-1的高流明效率。此外, 当功率密度从1 W·mm^-2增大到20 W·mm^-2时, 流明效率仅下降10.5%, 光通量持续增加且未出现发光饱和。上述结果显示, Al₂O₃-YAG:Ce复相陶瓷荧光体具有良好的发光效率和热稳定性, 将在高功率激光照明中具有广阔的应用前景。     

Transmission electron microscopy of annealed a-Si1−xCx:H/Al films with different Al grain sizes

The crystallization behavior of a-Si_1−xC_x:H/Al films after annealing has been investigated by transmission electron microscopy and Raman scattering. It is found that the crystallization process is complex and non-uniform, and that both equiaxial and branching Si grains with many twins and stacking faults arise at annealing temperatures as low as 250 °C. Both fine polycrystalline β-SiC grains and fractal-like -SiC aggregates are first observed in a few regions in a-Si_1−xC_x:H/Al films annealed at 350 °C. The increase of the Al grain size can cause a decrease in the crystallization temperature and a rise in the grain growth rate of Si. At higher annealing temperatures, the reaction process SiC+Al→Al₄C₃+Si is predominant.     

片状纳米Al2O3/环氧树脂复合材料的制备及性能

采用水热法制备片状纳米Al₂O₃,经过偶联剂改性后与环氧树脂复合,通过溶液混合法制备了不同填充量的片状纳米Al₂O₃/环氧树脂复合材料,研究了片状纳米Al₂O₃用量对片状纳米Al₂O₃/环氧树脂复合材料介电性能和热性能的影响,利用SEM对复合材料的断口形貌进行了表征。结果表明: 片状纳米Al₂O₃在环氧树脂基体中分散良好;随着片状纳米Al₂O₃填充量的增加,复合材料的起始热分解温度升高、介电强度增大,当片状纳米Al₂O₃的填充量为7wt%时,复合材料的介电强度为 29.58 kV/mm,比纯环氧树脂的介电强度提高了30%;复合材料的介电常数(3.8~4.5)和介电损耗(0.015)比纯环氧树脂稍有增大,但仍维持在较好的介电性能范围内。